[发明专利]用于垂直场效应器件的温度补偿的器件架构和方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于减小垂直MOSFET器件的电阻的温度变化的方法和技术。

背景技术

多年来，高性能功率电子装置的制造商和开发者已经设法改善功率处理密度并管理分立电子部件的器件热耗散。

垂直MOSFET具有随着温度单调地且超线性地增加的接通电阻(“RdsOn”)。随着接通电阻增加，针对给定漏电流(I_d)耗散的功率也根据以下功率等式而增加：功率=。功率耗散进而促使MOSFET结温度增加，这进一步增加了接通电阻。如果热耗散是充分的，则RdsOn将增加直至在MOSFET中达到热平衡为止。如果热耗散系统不充分，则MOSFET将经历热失控。

现代垂直MOSFET器件中的RdsOn的减小已经导致电源效率方面的显著改善。然而，RdsOn仍随着温度而增加。结合了这些器件的系统、尤其是在各种占空比和/或各种环境温度下操作的系统将大大地受益于RdsOn随温度表现出减小的变化。

发明内容

本公开是减小电阻的温度变化的场效应器件架构。特别地，本公开提供了用于减小由于增加的温度而引起的RdsOn的变化的方法和装置。

根据优选实施例，具有负温度系数(“NTC”)的电阻器被与垂直MOSFET串联连接，以获得更加稳定的电阻随温度变化。并且，显著地减小了器件电阻随温度的变化。

在优选实施例中，MOSFET垂直场效应器件被构造在具有n+掺杂基底的外延Si晶片上。

在另一实施例中，MOSFET垂直场效应器件被构造在具有n-掺杂基底的非外延Si晶片上。

该装置可应用于在耗尽型或增强型下操作的n沟道和p沟道器件两者中。

附图说明

图1A图示出现有技术场效应器件。

图1B图示出用于现有技术场效应器件的接通电阻的电阻路径。

图2A图示出具有集成负温度系数电阻器的场效应器件的优选实施例。

图2B图示出用于具有集成负温度系数电阻器的场效应器件的优选实施例的接通电阻的电阻路径。

图3是用于现有技术垂直场效应器件的与结温度有关的归一化接通电阻、用于具有结合NTC电阻器的垂直场效应器件的优选实施例的与结温度有关的归一化接通电阻、以及独立负温度系数电阻器的温度相关性曲线的示例性图表。

图4A是用于构造具有接通电阻随温度变化减小的垂直场效应器件的方法的优选实施例的流程图。

图4B是用于构造具有接通电阻随温度变化减小的垂直场效应器件的方法的备选实施例的流程图。

图4C是用于构造具有接通电阻随温度变化减小的垂直场效应器件的方法的备选实施例的流程图。

图4D是用于构造具有接通电阻随温度变化减小的垂直场效应器件的方法的备选实施例的流程图。

图4E是用于构造具有接通电阻随温度变化减小的垂直场效应器件的方法的备选实施例的流程图。

图4F是用于构造具有接通电阻随温度变化减小的垂直场效应器件的方法的备选实施例的流程图。

图5是用以构造负温度系数电阻器的方法的优选实施例的流程图。

具体实施方式

垂直半导体器件是半导体构造(例如MOSFET、IBT和二极管)，其中，电流流动的主要方向是垂直的，即自上而下或自下而上或两者。功率分立半导体器件常常是用此类垂直架构构建的。

“接通电阻”(RdsOn)是当半导体器件在通过向其电极施加电压和/或电流而在“接通状态”下被偏置时的该半导体器件的电阻。例如，MOSFET具有栅电极、源电极和漏电极，其中，在漏电极与源电极之间被施加漏源电压(Vds)，并且在栅电极与源电极之间施加栅源电压(Vgs)。“接通状态”意指从源极到漏极的电流(Id)被栅源电压启用。对于功率MOSFET而言，例如，RdsOn被定义为：

等式1

当漏源电压(Vds)通常设在0.1V与5V之间的值，并且栅源电压(Vgs)通常设为10V时。

包括非电荷补偿垂直场效应器件和电荷补偿垂直场效应器件(例如，超结MOSFET)的功率MOSFET(如同一些其它垂直半导体器件)是正温度系数器件。一般地，正温度系数器件具有随增加的温度而增加的器件电阻。

相反地，NTC器件具有随增加的温度而减小的电阻。NTC器件的一个示例是NTC电阻器。